地震形成的潮汐模式及其预测方法

                                杨学祥，杨冬红

                                 （吉林大学）

     摘要：地球的潮汐形变导致地球扁率周期变化，从而形成地球转动惯量的周期变化和自转速的周期变化。地球扁率变大，自转速度变小，低纬度全扩张，高纬度圈；地球扁率变小，自转速度变大，地纬度圈收缩，高纬度圈扩张。扩张导致新地壳在大洋中脊生成，收缩导致旧地壳在俯冲带消减，由此形成大洋地壳的新旧交替和环太平洋地震火山带的地震火山活动。这是地球自转速度变化与地震相关的原因，也是我们通过地球自转速度变化周期预测地震的理论基础。

     关键词：地球自转速度变化；地球形变；地震周期规律；可间断周期

1. 数据的相同是巧合吗？

胡辉和杜品仁分别指出地震存在18.6年周期。杨冬红和杨学祥指出，全球8级以上地震存在9年和18.6年周期。

图1 1895-1977年8级以上地震的9年和19年周期

图1 是根据公元1896年至公元1980年全球8级以上地震目录编绘的。在月亮赤纬角最小时的1905-1906年、1923-1925年、1941-1942年、1959-1960年、1977-1979年，地球平均扁率变大，地球自转变慢；在月亮赤纬角最大时的1896-1897年、1913-1914年、1931-1932年、1949-1951年、1968-1970年，地球平均扁率变小，地球自转变快。8级以上地震高潮也有相应的约9年变化周期：1897- 1906- 1914- 1923-1932-1941- 1950- 1960- 1971- 1978年。1890-1924年和1947-1976年的拉马德雷冷位相对应8级以上地震频发期，1925-1946年的拉马德雷暖位相对应8级以上地震的减少时期。

应该说明的是，1960年5月22日智利南部发生9.5级地震，释放能量相当于8.5级地震的30倍。20世纪共有4次9级以上特大地震都发生在一个很短的时期内：1952年11月4日堪察加发生9级地震，1957年3月9日阿拉斯加阿留申群岛发生9.1级地震，1960年5月22日智利发生9.5级地震，1964年3月28日阿拉斯加威廉王子海峡发生9.2级地震。因此，在1952-1964年和月亮赤纬角最小值时的1959-1960年地震活动也很强烈。

解朝娣等人采用1850—2012年期间USGS全球M≥5.0地震目录资料,构成全球地震能量-时间序列,进行小波变换和准周期分析.结果表明,全球地震能量释放的时间序列存在9年、19年和45年的3个准周期,其中,45年准周期最为突出.结合起潮力周期的物理背景,对长周期潮汐起潮力与地震能量释放准周期的关系进行了探讨,没有发现全球地震活动的能量释放与潮汐短周期相关的准周期.

图2（a, b)1850-2012年全球5级以上地震能量-时间序列小波变换图及其准周期分析图；（c, d) 1850-2012年全球7级以上地震能量-时间序列小波变换图及其准周期分析图

全球地震的9年和19周期得到证实。这两个周期就是18.6年周期及其半周期。45年周期也是9年周期的倍周期。

潮汐形变是短期地球自转速度变化的主要原因。根据罗时芳等人（1974）和任振球等人（1990）的研究，地球自转周期11.169年对应11.2年太阳黑子周期、12.15年对应12.01年木星相似会合周期、18.6年对应月亮赤纬角的变化周期、19.855年对应19.858年木星、土星会合周期、22.337年对应22.2年太阳磁周、29.783年对应29.46年土星公转恒星周期、59.555年周期对应59和60年木星、土星、水星相似会合周期，振幅分别为0.162、0.141、0.521、0.189、0.434、0.521、1.239毫秒，显示地球自转与行星潮汐的对应关系^{[17, 29]}。最新研究结果表明，地球的质量正在引起和维持了太阳上的微小“潮汐”涨落，影响太阳自转，这也为行星潮汐影响地球自转提供了证据。

此种解释的矛盾是，与土星相比，木星质量大，距离地球近，产生的地球自转振幅却仅为土星的四分之一。如果加上潮汐的11.137、18.6、19.96、22.3、29.94、59.88年周期^[30]，就有很好的对应性和可比性。地球自转周期18.6、29.783、59.555年的振幅是最大的，月亮赤纬角在18.6年内由18.6度变为28.6度，完成一个周期循环。在月亮赤纬角为最大值28.6度时期，地球的平均扁率变小，地球自转加快；在月亮赤纬角为最小值18.6度时期，地球的平均扁率变大，地球自转变慢。潮汐的11.137、18.6、19.96、22.3、29.94、59.88年周期使潮汐影响地球自转的解释更加合理。

表1  地球自转变化的长周期^{[17, 29]}

Table 1 The long circle of the change in earth’s rotation^{[17, 29]}

注：带*号者为作者计算得出。

比较图2和表1 ，我们可以明显看到相同的数字特征，相同的周期：9、19和45年。这难道是巧合吗？

2. 潮汐形变导致的地球自转速变化和地壳胀缩机制

计算结果表明，一个旋转速度不断增大的气体星球，在扁率不断变大的过程中，被削平的两极突起通过35^o不变圈向赤道流动，形成一个几乎静止的（相对星球自转方向相反的快速旋转）大气环流。在星球外部看来，加速旋转的气体星球象一个层层包裹的洋葱，每层的旋转速度不同，中心转速快，外层转速逐渐减小（见图3）。这非常符合木星环的旋转特征：美国学院公园市马里兰大学的Douglas Hamilton和德国海德尔堡马普学会核物理研究所的Harald Krüger发现，行星环中的微粒缓慢围绕木星运转，其形成机制尚不清楚^[4]。理论计算结果给出了一个合理的行星环形成机制：变速旋转的气体星球，赤道有慢速旋转的环，两极有快速旋转的帽。

根据这一变化规律，在引潮力使地球扁率变大时，赤道上空的高速气流，产生与地球自转方向相反的由东向西运动，加大赤道东风带的风速，在外空间看来几乎静止不动；在引潮力使地球扁率变小时，大气赤道突起减小并向两极流动，在南北纬35度线以上的中高纬度地区，形成两极突起，旋转方向与地球自转方向相同，速度加快，加大中纬度地区的西风带风速。这一变化规律与星体大小以及形变规模无关。

图3  地球变扁南北纬35度线长度不变（杨冬红，2009）

地球的潮汐形变导致地球扁率周期变化，从而形成地球转动惯量的周期变化和自转速的周期变化。地球扁率变大，自转速度变小，低纬度全扩张，高纬度圈；地球扁率变小，自转速度变大，地纬度圈收缩，高纬度圈扩张。扩张导致新地壳在大洋中脊生成，收缩导致旧地壳在俯冲带消减，由此形成大洋地壳的新旧交替和环太平洋地震火山带的地震火山活动。这是地球自转速度变化与地震相关的原因，也是我们通过地球自转速度变化周期预测地震的理论基础。

天气变化主要与对流层气体运动有关。吸收太阳辐射热量所在空间的温度和高度控制了对流层的气体密度和气压。一般在空气受热强的地区，形成低密度的低压区；而在受热弱的地区，形成高密度的高压区。在近地面水平方向上，赤道地区为低压区，两极地区为高压区；在垂直方向上，靠近地面的热空气为低压区，高空冷空气为高压区。气压的不均匀性导致气体运动，形成大气环流。受这一规律控制，一般空气在地面从两极流向赤道，在高空则从赤道流向两极。实际的气流分布并不这样简单，除赤道和两极外，还出现了30^o、35^o和60^o三个特征纬度，表明太阳能量分布差异不是大气环流形成的唯一因素^[5]。上述计算表明，气流分布出现了0 ^o、30^o、35^o、60^o和90 ^o五个特征纬度，与潮汐形变引起的地球扁率变化以及相关纬度大气的自转速度变化相关。

对固体地球而言，地球的潮汐形变导致地球扁率周期变化，从而形成地球转动惯量的周期变化和自转速的周期变化。地球扁率变大，自转速度变小，低纬度圈扩张，高纬度圈收缩；地球扁率变小，自转速度变大，地纬度圈收缩，高纬度圈扩张。扩张导致新地壳在大洋中脊生成，收缩导致旧地壳在俯冲带消减，由此形成大洋地壳的新旧交替和环太平洋地震火山带的地震火山活动。这是地球自转速度变化与地震相关的原因，也是我们通过地球自转速度变化周期预测地震的理论基础。

地球一张一缩的活动机制，我们称之为“地球的呼吸”。

图4. 海底扩张的潮汐模式

3. 地震预测的可间断周期概率计算

地震的能量积累是通过潮汐模式的海底扩张。大震的形成需要长期的能量积累，所以在地震活跃期，地震的潮汐周期就非常明显，在地震的间歇期，地震就会发生中断，形成地震的可间断周期。通过对汶川地震预测的检验，我们得到如下规律（见表1-4）。

可间断周期的地震发生概率计算方法可参考博文：风险依旧存在：重新审视世界上最大的帕克菲尔德地震预测实验。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1115963.html

部分计算结果可参考博文：

帕克菲尔德地震预测实验继续：可间断周期发生概率的计算结果

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1116087.html

2008年汶川地震预测争论：可间断周期概率的计算结果

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1116325.html

2008年汶川地震预测争论：11年可间断周期概率的计算结果

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1116414.html

2008年汶川地震预测争论：9年可间断周期概率的计算结果

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1116469.html

2008年汶川地震预测争论：12年可间断周期概率的计算结果

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1116706.html

2008年汶川地震预测争论：22年可间断周期概率的计算结果

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1116743.html

2008年汶川地震预测争论：20年可间断周期概率的计算结果

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1116767.html

计算结果见表2-7：

表2  22年周期的川滇地区大于等于6.7级地震发生概率（2000-2021年）

表3 19年周期的川滇地区大于等于6.7级地震发生概率（2000-2032年）

表4 20年周期的川滇地区大于等于6.7级地震发生概率（2000-2021年）

表5 12年周期的川滇地区大于等于6.7级地震发生概率（2000-2021年）

表6  11年周期的川滇地区大于等于6.7级地震发生概率（2000-2021年）

表7  9年周期的川滇地区大于等于6.7级地震发生概率（2000-2021年）

综合全部计算结果，我们可以明显看到相同的数字特征，再根据其他实测数据，就可以得到科学的判断。

参考文献

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